Jet (física de partículas) - Jet (particle physics)

O quark top e o par de quark anti top decaindo em jatos, visíveis como coleções colimadas de trilhas de partículas e outros férmions no detector CDF em Tevatron .

Um jato é um cone estreito de hádrons e outras partículas produzidas pela hadronização de um quark ou glúon em um experimento de física de partículas ou íon pesado . Partículas carregando uma carga de cor, como quarks, não podem existir na forma livre por causa do confinamento QCD que permite apenas estados incolores. Quando um objeto contendo fragmentos de carga colorida, cada fragmento carrega parte da carga colorida. Para obedecer ao confinamento, esses fragmentos criam outros objetos coloridos ao seu redor para formar objetos incolores. O conjunto desses objetos é denominado jato, uma vez que os fragmentos tendem a se deslocar na mesma direção, formando um estreito "jato" de partículas. Os jatos são medidos em detectores de partículas e estudados para determinar as propriedades dos quarks originais.

Uma definição de jato inclui um algoritmo de jato e um esquema de recombinação. O primeiro define como algumas entradas, por exemplo, partículas ou objetos detectores, são agrupados em jatos, enquanto o último especifica como um momento é atribuído a um jato. Por exemplo, jatos podem ser caracterizados pelo empuxo . A direção do jato (eixo do jato) pode ser definida como o eixo de impulso . Em experimentos de física de partículas, os jatos são normalmente construídos a partir de aglomerados de deposições de energia no calorímetro do detector . Ao estudar processos simulados, os jatos do calorímetro podem ser reconstruídos com base em uma resposta do detector simulado. No entanto, em amostras simuladas, os jatos também podem ser reconstruídos diretamente a partir de partículas estáveis ​​emergentes de processos de fragmentação. Os jatos no nível da partícula são freqüentemente chamados de jatos verdadeiros. Um bom algoritmo de jato geralmente permite a obtenção de conjuntos semelhantes de jatos em diferentes níveis na evolução do evento. Os algoritmos de reconstrução de jato típicos são, por exemplo, o algoritmo anti- k _T , o algoritmo k _T , o algoritmo do cone. Um esquema de recombinação típico é o esquema E, ou esquema de 4 vetores, no qual o vetor 4 de um jato é definido como a soma de 4 vetores de todos os seus constituintes.

Na física relativística de íons pesados, os jatos são importantes porque o espalhamento rígido originário é uma sonda natural para a matéria QCD criada na colisão e indica sua fase. Quando a matéria QCD passa por um cruzamento de fase no plasma quark gluon , a perda de energia no meio aumenta significativamente, extinguindo (reduzindo a intensidade) o jato de saída.

Exemplos de técnicas de análise de jato são:

• correlação de jato
• marcação de sabor (por exemplo, marcação b )
• subestrutura do jato.

O modelo de string de Lund é um exemplo de modelo de fragmentação de jato.

Produção de jato

Os jatos são produzidos em processos de espalhamento rígido QCD, criando quarks ou glúons de alto momento transversal, ou coletivamente chamados de partons na imagem partônica.

A probabilidade de criar um determinado conjunto de jatos é descrita pela seção transversal de produção do jato, que é uma média dos processos QCD perturbativos elementares quark, antiquark e glúon, ponderada pelas funções de distribuição de parton . Para o processo de produção de par de jato mais frequente, o espalhamento de duas partículas, a seção transversal de produção de jato em uma colisão hadrônica é dada por

${\ displaystyle \ sigma _ {ij \ rightarrow k} = \ sum _ {i, j} \ int dx_ {1} dx_ {2} d {\ hat {t}} f_ {i} ^ {1} (x_ { 1}, Q ^ {2}) f_ {j} ^ {2} (x_ {2}, Q ^ {2}) {\ frac {d {\ hat {\ sigma}} _ {ij \ rightarrow k}} {d {\ hat {t}}}},}$

com

• x , Q ² : fração de momento longitudinal e transferência de momento
• ${\ displaystyle {\ hat {\ sigma}} _ {ij \ rightarrow k}}$: seção transversal QCD perturbativa para a reação ij  →  k
• ${\ displaystyle f_ {i} ^ {a} (x, Q ^ {2})}$: função de distribuição de partões para encontrar espécies de partículas i no feixe a .

As seções transversais elementares são, por exemplo, calculadas para a ordem principal da teoria de perturbação em Peskin & Schroeder (1995), seção 17.4. Uma revisão de várias parametrizações de funções de distribuição de parton e o cálculo no contexto de geradores de evento de Monte Carlo é discutida em T. Sjöstrand et al. (2003), seção 7.4.1. ${\ displaystyle {\ hat {\ sigma}}}$

Fragmentação de jato

Cálculos perturbativos de QCD podem ter partons coloridos no estado final, mas apenas os hádrons incolores que são finalmente produzidos são observados experimentalmente. Assim, para descrever o que é observado em um detector como resultado de um determinado processo, todos os partons coloridos que saem devem primeiro passar por uma chuva de partons e, em seguida, a combinação dos partons produzidos em hádrons. Os termos fragmentação e hadronização são freqüentemente usados ​​alternadamente na literatura para descrever a radiação QCD suave , formação de hádrons ou ambos os processos juntos.

À medida que o parton que foi produzido em uma dispersão rígida sai da interação, a constante de acoplamento forte aumentará com sua separação. Isso aumenta a probabilidade de radiação QCD , que é predominantemente em ângulo raso em relação ao parton de origem. Assim, um parton irradiará glúons, que por sua vez irradiarão
q

q
pares e assim por diante, com cada novo parton quase colinear com seu pai. Isso pode ser descrito pela convolução dos espinores com funções de fragmentação , de maneira semelhante à evolução das funções de densidade de pártons. Isso é descrito por uma equação do tipo Dokshitzer  [ de ] - Gribov - Lipatov - Altarelli - Parisi ( DGLAP ) ${\ displaystyle P_ {ji} \! \ left ({\ frac {x} {z}}, Q ^ {2} \ right)}$

${\ displaystyle {\ frac {\ partial} {\ partial \ ln Q ^ {2}}} D_ {i} ^ {h} (x, Q ^ {2}) = \ sum _ {j} \ int _ { x} ^ {1} {\ frac {dz} {z}} {\ frac {\ alpha _ {S}} {4 \ pi}} P_ {ji} \! \ left ({\ frac {x} {z }}, Q ^ {2} \ right) D_ {j} ^ {h} (z, Q ^ {2})}$

O banho de Parton produz partons de energia sucessivamente mais baixa e deve, portanto, sair da região de validade para QCD perturbativa . Modelos fenomenológicos devem então ser aplicados para descrever a duração do tempo em que ocorre o banho, e então a combinação de partons coloridos em estados ligados de hádrons incolores, o que é inerentemente não perturbativo. Um exemplo é o Lund String Model , que é implementado em muitos geradores de eventos modernos .

Segurança infravermelha e colinear

Um algoritmo de jato é seguro para infravermelho se produzir o mesmo conjunto de jatos após modificar um evento para adicionar uma radiação suave. Da mesma forma, um algoritmo de jato é colinear seguro se o conjunto final de jatos não for alterado após a introdução de uma divisão colinear de uma das entradas. Existem vários motivos pelos quais um algoritmo de jato deve atender a esses dois requisitos. Experimentalmente, os jatos são úteis se transportarem informações sobre o parton semente. Quando produzido, espera-se que o parton da semente passe por uma chuva de parton, que pode incluir uma série de divisões quase colineares antes do início da hadronização. Além disso, o algoritmo do jato deve ser robusto quando se trata de flutuações na resposta do detector. Teoricamente, se um algoritmo de jato não é seguro contra infravermelho e colinear, não pode ser garantido que uma seção transversal finita possa ser obtida em qualquer ordem da teoria de perturbação.

Veja também

• Evento Dijet

Referências

• Andersson, B .; Gustafson, G .; Ingelman, G .; Sjöstrand, T. (1983). "Fragmentação do parton e dinâmica das cordas". Relatórios de Física . Elsevier BV. 97 (2–3): 31–145. doi : 10.1016 / 0370-1573 (83) 90080-7 . ISSN  0370-1573 .
• Ellis, Stephen D .; Soper, Davison E. (1993-10-01). "Algoritmo de jato de combinação sucessiva para colisões de hádrons". Physical Review D . American Physical Society (APS). 48 (7): 3160–3166. arXiv : hep-ph / 9305266 . doi : 10.1103 / physrevd.48.3160 . ISSN  0556-2821 .
• M. Gyulassy et al. , "Quenching a jato e perda de energia radiativa em matéria nuclear densa", em RC Hwa & X.-N. Wang (eds.), Quark Gluon Plasma 3 (World Scientific, Singapura, 2003).
• JE Huth et al. , em EL Berger (ed.), Proceedings of Research Directions For The Decade: Snowmass 1990 , (World Scientific, Singapura, 1992), 134. (Preprint at Fermilab Library Server)
• ME Peskin, DV Schroeder, "An Introduction to Quantum Field Theory" (Westview, Boulder, CO, 1995) .
• T. Sjöstrand et al. , "Pythia 6.3 Physics and Manual", Report LU TP 03-38 (2003).
• G. Sterman, "QCD and Jets", Relatório YITP-SB-04-59 (2004).

links externos

• O gerador de eventos Pythia / Jetset Monte Carlo
• O programa de clustering de jato FastJet